Энерготехнология


Примечание	Не правильная общая схема: цикл Ренкина считать отдельно от печи пиролиза
	Загрузить архив:
	Файл: 240-2403.zip (20kb [zip], Скачиваний: 78) скачать

BОглавление

1 Введение ...................................................... 2

2 Описание технологической схемы на базе печи пиролиза этана .... 3

3 Термодинамический анализ печи пиролиза этана .................. 4

3.1 Материальный и тепловой баланс процесса пиролиза. ........... 4

3.2 Гидравлический расчет змеевика печи пиролиза этана .......... 5

3.3 Определение тепловой нагрузки участка e-f ................... 7

3.4 Эксергетический КПД процесса пиролиза ....................... 8

3.5 Энтропийный баланс процесса пиролиза ........................ 9

4 Горение ....................................................... 10

4.1 Материальный баланс ......................................... 10

4.2 Энтальпийный баланс. Определение Тад ........................ 10

4.3 Эксергетический баланс ...................................... 11

5 Термодинамический анализ химического реактора ................. 14

5.1 Энергетический баланс ....................................... 14

5.2 Эксергетический баланс реактора ............................. 14

6 Термодинамический анализ процесса теплообмена ................. 15

7 Разработка ЭХТС на базе печи пиролиза этана ................... 15

7.1 Энергетический баланс закалочно-испарительного аппарата ..... 15

7.2 Паросиловой цикл Ренкина .................................... 16

7.2.1 Участок 1-2 ............................................... 16

7.2.2 Участок 2-2' .............................................. 17

7.2.3 Участок 2'-4 .............................................. 17

7.2.4 Участок 4-1 ............................................... 17

7.2.5 Цикл целиком .............................................. 17

8 Кинетические расчеты .......................................... 18

8.1 Кинетический расчет поверхности радиантной зоны печи ........ 18

8.2 Расчет конвекционной зоны печи пиролиза ..................... 19

8.2.1 Определение промежуточных температур ...................... 19

8.2.2 Определение температуры пара разбавления .................. 20

8.3 Определение поверхности теплообмена конвекционной зоны ...... 20

Приложение ...................................................... 22

Литература ...................................................... 23

B1 Введение

Энерготехнология - общетехническая фундаментальнаядисциплина,

изучающая методы получения, передачи и использования теплоты, а так-

же принципы действия и конструктивные особенности тепло- и парогене-

раторов, трансформаторов теплоты, тепловых машин,аппаратов иус-

тройств.

В химической промышленностиэнергетиканепосредственноучас-

твует в процессе производствапродукции, инарушениенормального

энергоснабжения вызывает прекращениедеятельности производственных

звеньев или даже производства в целом. Энергетическое хозяйствохи-

мического предприятия включает собственно энергетическиеустановки,

энергетические элементы теплотехнических установок иэнергетические

элементы комбинированных энергохимико-технологических систем (ЭХТС),

производящих технологическую и энергетическую продукцию, а также ус-

тановки для использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).

Совершенствование энергетики химического производства связано с

его интенсификацией, применением агрегатов большей единичной мощнос-

ти, применением наиболее рациональных видов энергии иэнергоносите-

лей, повышением степени утилизации вторичныхэнергетическихресур-

сов, улучшением систем нормирования энергоресурсов, внедрением и оп-

тимизацией ЭХТС, созданием безотходной по сырью иэнергии экономи-

чески и экологически выдержанной технологии.

Одной из главных целей оптимизацииЭХТСявляется минимизация

потребления энергии при сохранении высокого выхода целевогопродук-

та. Преимущества комбинированного теплоиспользованияпередраз-

дельным производством технологическойиэнергетическойпродукции

наиболее ярко выделяются при использованииэксергетическогометода

анализа, который позволяет определить предельные возможности процес-

сов, источники потерь и пути их устранения,повысить эффективность

ЭХТС и ее элементов. Наиболее эффективен системный подходк оценке

сложных ЭХТС при помощи эксергетическогои энтропийногобалансов,

которые учитывают различную ценность энергоресурсов разнойфизичес-

кой природы или разного потенциала, в отличии от простогоэнергети-

ческого баланса, не учитывающего перечисленных факторов и сособен-

ностей процессов, связанных с различными проявлениямиихнеобрати-

мости.

Задача данного поверочного расчета при помощи термодинамическо-

го анализа оптимизировать разработанную ЭХТС на основе пиролизауг-

леводородного сырья, определив основные параметры системыиподоб-

рав необходимое сырье (топливо, силовой пар и пар разбавления).

@ B2 Описание технологической схемы на базе печи пиролиза этана.

-l─── ┌───┐ │

┌──┘ └──┐ a-│-a

│ ┌──┼───────────┘ 1

│ │ ┌──────────────>─────────────────────────┼─┐

│ /│ │ ┌──────────<─────┐ 1 │

│ ──┼───────────┐ │ │

-y───│ │ │ │ с b-│-b │ │

│ ┌──┼───<───┼───│───────────────────┐│

│ │ │ │ с │ │ ││

│ /│ │ │ к │ │ ││

│ ──┼───>───┼───│────┐ │ ││

│ │ │ │ к d │ │ │ ││

-x───│ ┌──┼─────────┼─┤ │ │ │ │

│ │ │ │ d │ │ │ ││

│ /│ │ │ │ │ │ ┌<─┐ ││

│ │ │ │ пар ┌──────┴─┴┐ │ │ насос │

│ /│ │ │ │сепаратор│ │ ┌─┼─┐ │/│

│ │ │ │ │ │ │ │ ^ │ │ │

│ /│ │ │ └─┬───────┘ │ │ │ │ ─ ─ ─ ─ ─│ │

│ │ │ │ o─│─o │ └─┬─┘ │ │

┌───────┘ / e└─┼───┼──┐f ┌──┴─┐g │ │ турбина │

│ ─┼┐ │ │┌─┼──┼──┤//├──┼─ │ │ │

│ ┌──────┐e│ └//┘│ │f /└──┬─┘ g │ │2─│─2

│ │ ├┐│ │┌┤ ЗИА p─│─p │ │теплообменник │

│ │ ├┘│ │└┤ │ │ │2'┌────────┐│

│ │ ├┐│ │┌┤ └─><────>─┘ └┼─┤┌///┐├──┘

│ │ ├┘└──────┘└┤ 2'└┼──────┼┘

└────────┴──────┴──────────┘ │ │

Исходное сырье следующего состава и температуры поступает по трубам

┌──────────────────────────────────────────┬───────────────┐

│ Состав исходной смеси кмоль/с на 1 трубу │Параметры входа│

├─────────┬─────────┬─────────┬────────────┼───────┬───────┤

│ С2Н4 │ С2Н6 │ С3Н6 │ С3Н8 │ Та [К]│D мм │

├─────────┼─────────┼─────────┼────────────┼───────┼───────┤

│ 0.00010 │ 0.0138│ 0.00078 │ 0.00080 │ 378│ 102/8 │

└─────────┴─────────┴─────────┴────────────┴───────┴───────┘

из сечения а-а, в змеевик печи пиролиза где нагревается за счет теп-

лоты отходящих газов до Тb = 468 К, а затем всечении d-dразбав-

ляется водяным паром. Количество водяного пара= 0.01002кмоль/с.

Затем в змеевике данная смесь нагревается до температуры Те = 900 К.

После этого, в радиантной зоне печи происходит пиролиз даннойсмеси

до следующего состава:

┌────────────────────────────────────────────────────────────────┐

│ Состав конечной смеси кмоль/с на 1 трубу │

├──────┬───────┬───────┬────────┬────────┬────────┬──────┬───────┤

│СН4 │ С2Н4 │ С2Н6 │ С3Н6 │ С4Н6 │ С6Н6 │С4Н10 │ СО │

├──────┼───────┼───────┼────────┼────────┼────────┼──────┼───────┤

│0.0034│ 0.0084│ 0.0046│ 0.00045│ 0.00019│ 0.00008│0.0001│ 0.0001│

└──────┴───────┴───────┴────────┴────────┴────────┴──────┴───────┘

Давление на выходе из печи Pf = 3.5 бар. Температура Tf = 1110 K.

В целях экономии тепла, а также для получения энергии набазе печи

пиролиза этана сооружают энерго-химико-технологическую схему,сос-

тоящую из закалочно-испарительного аппарата (ЗИА), паросилового цик-

ла Ренкина, включающего в себя турбину, насос, теплообменник,змее-

вик и сепаратор. Тепло забирается от отходящих дымовых газови ко-

нечных продуктов пиролиза этанового сырья. Температура отходящих га-

зов на выходе из печи = 250 С, а конечных продуктов Тg = 673 K.

B3 Термодинамический анализ печи пиролиза этана

@3.1 Материальный и тепловой баланс процесса пиролиза.

1. Поиск количества Н2О. Поэлементный баланс покислороду. Весь

кислород в системе входит с водой, а выходит сводой иугарным

газом. Количество СО = Н2О(вход)-Н2О(выход)

n(Н2О) = 0.01002-0.0001 = 0.00992 кмоль/с

м(Н2О) = 0.00992*18 = 0.17856 кг/с

2. Пересчет на массовый и объемный расходы. м = n*М

Вход

м(С2Н4) = 0.00010*28 = 0.0028кг/с

м(С2Н6) = 0.01380*30 = 0.414 кг/с

м(С3Н6) = 0.00078*42 = 0.03276 кг/с

м(С3Н8) = 0.00080*44 = 0.0352кг/с

м(H2O)= 0.01002*18 = 0.18036 кг/с

Выход

м(СН4)= 0.0034*16= 0.0544кг/с

м(С2Н4) = 0.0084*28= 0.2352 кг/с

м(С2Н6) = 0.0046*30= 0.138 кг/с

м(С3Н6) = 0.00045*42 = 0.0189кг/с

м(С4Н6) = 0.00019*54 = 0.01026 кг/с

м(С6Н6) = 0.00008*78 = 0.00624 кг/с

м(С4Н10)= 0.00010*58 = 0.0058кг/с

м(СО) = 0.0001*28= 0.0028кг/с

Расчет количества сажи (баланс по углероду).

Вход

n(C) = 2*n(С2Н4)+2*n(С2Н6)+3*n(С3Н6)+3*n(С3Н8) =

2*0.00010+2*0.01380+3*0.00078+3*0.00080=0.03254 кмоль/с

Выход

n(C) = n(СН4)+2*n(С2Н4)+2*n(С2Н6)+3*n(С3Н6)+4*n(С4Н6)+6*n(С6Н6)+

+4*n(С4Н10)+n(СО) = 0.0034+2*0.0084+2*0.0046+3*0.00045+

+4*0.00019+6*0.00008+4*0.00010+0.0001 = 0.03249 кмоль/с

n(C) = 0.03254-0.03249=0.00005 кмоль/с

м(C) = 0.00005*12=0.0006 кг/с

3. Поиск количества Н2.Для опредления потока Н2 необходимовзять

разницу между входящим и выходящим потоками.

м(Н2) = 0.66512-0.65076 = 0.01436 кг/с

n(Н2) = 0.01436/2 = 0.00718 кмоль/с

4. Таблица материального баланса.

┌──────────────────────┬──────────────────────┐

│ приход │расход │Сажа в газовойфа-

├──┬────────┬──────────┼──┬────────┬──────────┤зе не присутствует,

│N │вещество│ м [кг/с] │N │вещество│ м [кг/с] │ так что вдальней-

├──┼────────┼──────────┼──┼────────┼──────────┤ших расчетах еене

│1 │ С2Н4 │ 0.0028 │1 │ СН4 │ 0.0544 │ учитываем.

│2 │ С2Н6 │ 0.414 │2 │ С2Н4 │ 0.2352 │

│3 │ С3Н6 │ 0.03276│3 │ С2Н6 │ 0.138 │

│4 │ С3Н8 │ 0.0352 │4 │ С3Н6 │ 0.0189 │

│5 │ H2O │ 0.18036│5 │ С4Н6 │ 0.01026│

│ │ │ │6 │ С6Н6 │ 0.00624│

│ │ │ │7 │ С4Н10│ 0.0058 │

│ │ │ │8 │ СО │ 0.0028 │

│ │ │ │9 │ Н2О │ 0.17856│

│ │ │ │10│ Н2 │ 0.01436│

│ │ │ │11│ C │ 0.0006 │

├──┼────────┼──────────┼──┼────────┼──────────┤

││ итого│ 0.66512│ │ итого│ 0.66512│

└──┴────────┴──────────┴──┴────────┴──────────┘

@3.2 Гидравлический расчет змеевика печи пиролиза этана

│ │

e f

│ ││ │ │ │

─┬──d── │ ││ │──d─ ┌───────┐ ┌────┐ ┌──────

│ │ ││ │ │ │ │ │ │ │ │

│ │ ││ │ / e │ │ │ │ f

9.5м │ ││ │ │ ││ │ │ │ │ │

│ │ ││ │ │ │ │ │ │ │

─┴── │ ││ │ │ │ │ │ │ │

/ / │ │ │ │ │ │

│ │ │ │ │ │ │ │

│ └───────┘ │ │ │ │ │

└──────────────┘ └────┘ └────┘

│-VdP = Ltef+ [(wf)

2+(we)

2]/2 + g(zf-ze) + Фef

0.0325 - принятый коэффициент трения

dвн - диаметр трубопровода = 86 мм

L - длина змеевика (70-78) м

p - плотность потока

s - площадь сечения трубы

По формуле Вейсбаха

Рf-Pe = [0.0325*L*pw

2]/(2dэ)

dэ = 4*S/П = dвн

Р*V

n = Р1*V1

n = ln[Pe/Pf]/ln[pe/pf]

m = pe*we*se = pf*wf*sf

sf = se = 3.1416*dвн

2/4 = 3.1416*0.086**2/4=0.005809 м¤

В интегральной форме баланс механической энергии выглядит так:

[1] n *[(Pe/pe)-(Pf/pf)] = [1](wf)2[1]-(we)2 + Фef газы идеальные

n-1 2 рe = Pe/ReTe

рf = Pf/RfTf

n = ln[Pe/Pf]/ln[pe/pf] R = 8314/M

Фef = [0.0325*l/dвн]*w

2/2

Принимаем, что параметры меняются линейно вдоль длины трубы

(р = (pe+pf)/2 w = (we+wf)/2)

Расчет молярных масс потоков

Ме = сумма[MiYi] Mf = cумма[MjYj]

┌────────┬─────────┬──────────┬────┬──────────┬──────────┐

│Вещество│ ni │ Yi │ Mi │ Mi*Yi │Ri │

├────────┼─────────┼──────────┼────┼──────────┼──────────┤

│С2Н4 │ 0.00010 │ 0.003922 │ 28 │ 0.109816 │ 296.9286 │

│С2Н6 │ 0.01380 │ 0.541176 │ 30 │16.235280 │ 277.1333 │

│С3Н6 │ 0.00078 │ 0.030588 │ 42 │ 1.284696 │ 197.9524 │

│С3Н8 │ 0.00080 │ 0.031373 │ 44 │ 1.380412 │ 188.9545 │

│H2O │ 0.01002 │ 0.392941 │ 18 │ 7.072938 │ 461.8889 │

│ │ │ │ │ │ │

│итого │ 0.02550 │ 1.000000 │ │ │ │

│ │ │ │ │ Me │ Re │

│поток е │ │ │ │ 26.0832 │ 318.7492 │

└────────┴─────────┴──────────┴────┴──────────┴──────────┘

┌────────┬─────────┬──────────┬────┬──────────┬──────────┬────────┐

│Вещество│ ni │ Yi │ Mi │ Mi*Yi │ Ri │ pj │

├────────┼─────────┼──────────┼────┼──────────┼──────────┼────────┤

│СН4 │ 0.00340 │ 0.098780 │ 16 │ 1.580480 │ 519.6250 │ 0.6068 │

│С2Н4 │ 0.00840 │ 0.244044 │ 28 │ 6.833232 │ 296.9286 │ 1.0619 │

│С2Н6 │ 0.00460 │ 0.133643 │ 30 │ 4.009290 │ 277.1333 │ 1.1378 │

│С3Н6 │ 0.00045 │ 0.013074 │ 42 │ 0.549108 │ 197.9524 │ 1.5929 │

│С4Н6 │ 0.00019 │ 0.005520 │ 54 │ 0.298080 │ 153.9630 │ 2.0480 │

│С6Н6 │ 0.00008 │ 0.002324 │ 78 │ 0.181272 │ 106.5897 │ 2.9582 │

│С4Н10 │ 0.00010 │ 0.002905 │ 58 │ 0.168490 │ 143.3448 │ 2.1997 │

│СО │ 0.00010 │ 0.002905 │ 28 │ 0.081340 │ 296.9286 │ 1.0619 │

│Н2О │ 0.00992 │ 0.288205 │ 18 │ 5.187690 │ 461.8889 │ 0.6827 │

│Н2 │ 0.00718 │ 0.208600 │ 2 │ 0.417200 │4157.0000 │ 0.0759 │

│ │ │ │ │ │ │ │

│итого │ 0.03442 │ 1.000000 │ │ │ │ │

│ │ │ │ │ Mf │ Rf │pf кг/м

3│

│поток f │ │ │ │ 19.30618 │ 430.6393 │ 0.7322 │

└────────┴─────────┴──────────┴────┴──────────┴──────────┴────────┘

Из баланса механической энергии получили значения:

wf = m/sf/pf = 0.66512/(0.005809*0.7322) = 156.388 м/с

we = 58.033 м/с

pf = 0.7322 кг/м

ре = 1.973 кг/м

Ре = 5.66 бар

Lef = m((wf)

2-(we)

2)/2=0.66512*(156.388**2-58.618**2)/2=7029.45 Вт

@3.3 Определение тепловой нагрузки участка e-f

n*I = n*(Н'298 + a*(T-To) + 0.5*b*(T+To)*(T-To))

Вход:

T+To = 900+298 = 1198 KT-To = 900-298 = 602 K

┌────────┬─────┬───────┬──────┬─────────┬───────┬───────┬──────────┐

│Вещество│a │ в │Срh │Cph(T-To)│ n │ dH298 │I КДж/км│

├────────┼─────┼───────┼──────┼─────────┼───────┼───────┼──────────┤

│С2Н4 │11.32│0.12201│ 84.40│ 50808.84│0.00010│ 523000│ 573808.84│

│С2Н6 │ 5.75│0.17511│110.64│ 66605.28│0.01380│ -84670│ -18064.72│

│С3Н6 │12.44│0.18838│125.28│ 75418.56│0.00078│ 20410│95828.56│

│С3Н8 │ 1.72│0.27075│163.90│ 98667.89│0.00080│-103850│ -5182.11│

│H2Oг │30.00│0.01071│ 36.42│ 21924.84│0.01002│-241810│-219885.16│

└────────┴─────┴───────┴──────┴─────────┴───────┴───────┴──────────┘

Сумма n*I = -2324.58 КВт

Выход:

T+To = 1110+298 = 1408 KT-To = 1110-298 = 812 K

┌──────┬──────┬───────┬──────┬─────────┬───────┬───────┬───────────┐

│В-во │a │ в │Срh │Cph(T-To)│ n │ dH298 │I КДж/кмоль│

├──────┼──────┼───────┼──────┼─────────┼───────┼───────┼───────────┤

│СН4 │ 14.32│0.07466│ 66.88│ 54306.56│0.00340│ -74850│ -20543.44 │

│С2Н4 │ 11.32│0.12201│ 97.22│ 78942.64│0.00840│ 52300│ 131242.64 │

│С2Н6 │ 5.75│0.17511│129.03│104772.36│0.00460│ -84670│20102.36 │

│С3Н6 │ 12.44│0.18838│145.06│117788.72│0.00045│20410│ 138198.72 │

│С4Н6 │ 8.08│0.27322│200.43│162749.16│0.00019│ 110160│ 272909.16 │

│С6Н6 │-21.09│0.40012│260.59│211599.08│0.00008│82930│ 294529.08 │

│С4Н10 │ 18.23│0.30356│231.94│188335.28│0.00010│-126150│62185.28 │

│СО │ 28.41│0.00410│ 31.30│ 25415.60│0.00010│-110530│ -85114.40 │

│Н2О │ 30.00│0.01071│ 37.54│ 30482.48│0.00992│-241810│-211327.52 │

│Н2 │ 27.28│0.00326│ 29.58│ 24018.96│0.00718│ 0│24018.96 │

└──────┴──────┴───────┴──────┴─────────┴───────┴───────┴───────────┘

Сумма n*I = -663.54 КВт

Qef = -663.54-(-2324.58) = 1661.04 КВт

Qef = Qef + Lef = 1661.04+7.03 = 1668 КВт (с учетом мех. работы)

@3.4 Эксергетический КПД процесса пиролиза.

сумма(ni*Exi) + Ех(Qef) + L(t)ef = сумма(nj*Exj) + Def

Ех(Qef) = Qef*(1-Toc/Tcp)= 1668*(1-298.15/1001.34)=1167.6 КВт

Tcp = (Tf-Te)/ln(Tf/Te) = (1110-900)/ln(1110/900)=1001.34 K

КПД = [сумма(nj*Exj) - сумма(ni*Exi)]/Ех(Qef)

Вход

Ex = Ex'298 + Cph(T-To) - Toc*Cps*ln(T/To) + Toc*R*ln(P/Po)

To = 298К

T = Tе = 900К

Срh = a + 0.5b * (T+To)

Cps = a + b * [(T-To)/ln(T/To)]

T+To = 298+900 = 1198 K

T-To = 900-298 = 602 К

(T-To)/ln(T/To) = (900-298)/(ln(900/298)) = 544.65 K

Toc*ln(T/To) = 298*ln(900/298) = 329.38 K

┌────────┬─────┬───────┬───────┬───────┬────────────┬──────────────┐

│Вещество│a │ в │Срh │Cps │Cph(T-To) │TocCpsln(T/To)│

├────────┼─────┼───────┼───────┼───────┼────────────┼──────────────┤

│С2Н4 │11.32│0.12201│ 84.40 │ 77.77 │ 50808.84 │ 25615.88 │

│С2Н6 │ 5.75│0.17511│110.64 │101.12 │ 66605.28 │ 33306.91 │

│С3Н6 │12.44│0.18838│125.28 │115.04 │ 75418.56 │ 37891.88 │

│С3Н8 │ 1.72│0.27075│163.90 │149.18 │ 98667.89 │ 49136.91 │

│H2Oг │30.00│0.01071│ 36.42 │ 35.83 │ 21924.84 │ 11801.69 │

└────────┴─────┴───────┴───────┴───────┴────────────┴──────────────┘

┌────────┬────────────┬────────┬────────┬─────────────┬────────────┐

│Вещество│Ех

'KДж/кмоль│n(i) │Y(i)│ln[PYi]*Toc*R│Ex KДж/кмоль│

├────────┼────────────┼────────┼────────┼─────────────┼────────────┤

│С2Н4 │1360000 │0.00010 │0.003922│-9421.26 │ 1375771.70 │

│С2Н6 │1494000 │0.01380 │0.541176│ 2792.28 │ 1530090.65 │

│С3Н6 │2001000 │0.00078 │0.030588│-4329.70 │ 2034196.98 │

│С3Н8 │ 2150000 │0.00080 │0.031373│-4266.90 │ 2195264.08 │

│H2Oг │ 8600 │0.01002 │0.392941│ 1998.85 │ 20722.00 │

│ ││ │ │ ││

│итого ││0.02550 │1.000000│ ││

└────────┴────────────┴────────┴────────┴─────────────┴────────────┘

Значит oбщаяэксергиявхода = сумма[n(i)*Ex(i)] = 24803.34 КВт

Выход

Ex = Ex'298 + Cph(T-To) - Toc*Cps*ln(T/To) + Toc*R*ln(P/Po)

To = 298К

T = Tf = 1110К

Срh = a + 0.5b * (T+To)

Cps = a + b * [(T-To)/ln(T/To)]

T+To = 298+1110 = 1408 K

T-To = 1110-298 = 812 К

(T-To)/ln(T/To) = (1110-298)/(ln(1110/298)) = 619.85 K

Toc*ln(T/To) = 298*ln(1110/298) = 390.38 K

┌────────┬──────┬───────┬──────┬───────┬────────────┬──────────────┐

│Вещество│a │ в │Срh │Cps │Cph(T-To) │TocCpsln(T/To)│

├────────┼──────┼───────┼──────┼───────┼────────────┼──────────────┤

│СН4 │ 14.32│0.07466│ 66.88│ 60.60 │54306.56│ 23657.03 │

│С2Н4 │ 11.32│0.12201│ 97.22│ 86.95 │78942.64 │ 33943.54 │

│С2Н6 │ 5.75│0.17511│129.03│114.29 │ 104772.36│ 44616.53 │

│С3Н6 │ 12.44│0.18838│145.06│129.21 │ 117788.72│ 50441.00 │

│С4Н6 │8.08│0.27322│200.43│177.44 │ 162749.16│ 69269.03 │

│С6Н6 │-21.09│0.40012│260.59│226.92 │ 211599.08│ 88585.03 │

│С4Н10 │ 18.23│0.30356│231.94│206.39 │ 188335.28│ 80570.53 │

│СО │ 28.41│0.00410│ 31.30│ 30.95 │25415.60 │ 12082.26 │

│Н2О │ 30.00│0.01071│ 37.54│ 36.64 │30482.48 │ 14303.52 │

│Н2 │ 27.28│0.00326│ 29.58│ 29.30 │24018.96│ 11438.13 │

└────────┴──────┴───────┴──────┴───────┴────────────┴──────────────┘

│Вещество│Ех

'KДж/кмоль│n(i) │Y(i)│ln[pYi]*Toc*R│Ex KДж/кмоль│

│СН4 │ 830000 │0.00340 │0.009878│-2632.75 │ 858016.78 │

│С2Н4 │1360000 │0.00840 │0.024404│ -390.77 │ 1404608.33 │

│С2Н6 │1494000 │0.00460 │0.013364│-1883.46 │ 1552272.37 │

│С3Н6 │2001000 │0.00045 │0.001307│-7645.59 │ 2060702.13 │

│С4Н6 │2500000 │0.00019 │0.000552│ -9782.94 │ 2583697.19 │

│С6Н6 │3432000 │0.00008 │0.000232│ -11927.34 │ 3543086.71 │

│С4Н10 │2803000 │0.00010 │0.000291│ -11374.33 │ 2899390.42 │

│СО │ 275400 │0.00010 │0.000291│ -11374.33 │ 277359.01 │

│Н2О │ 8600 │0.00992 │0.028820│ 21.51 │ 24800.47 │

│Н2 │ 235000 │0.00718 │0.020860│ -779.77 │ 246801.06 │

│итого ││0.03442 │1.000000│ ││

Значит oбщаяэксергиявыхода = сумма[n(j)*Ex(j)] = 25893.81 КВт

КПД(Ех) = [сумма(ni*Exi) - сумма(ni*Exi)]/Ех(Qef)

КПД(Ех) = (25893.81-24803.34)/1167.6 = 0.934

Def = сумма(ni*Exi)-сумма(nj*Exj)+Ех(Qef)+Lef

Def = 24803.34-25893.81+1167.6+7.03=84.16 КВт

@3.5 Энтропийный баланс процесса пиролиза

сумма(nj*Sj) - сумма(ni*Si) = Qef/Tcp + Sнеобр

S = S298 + Cps*ln(T/To) - R*ln(P/Po)

Qef = 1668 КВт Tcp = 1001.34 K

Вход

ln(T/To) = ln(900/298) = 1.105

R*ln(P/Po) = 8.314*ln(5.66/1) = 14.41 КДж/Кмоль

┌────────┬─────┬───────┬───────┬───────┬─────────┬───────┬─────────┐

│Вещество│a │ в │ n │Cps │Cp*lnT/To│ S │S*n │

├────────┼─────┼───────┼───────┼───────┼─────────┼───────┼─────────┤

│С2Н4 │11.32│0.12201│0.00010│ 77.77 │85.94 │ 290.98│ 0.02910 │

│С2Н6 │ 5.75│0.17511│0.01380│101.12 │ 111.74│ 326.82│ 4.51012 │

│С3Н6 │12.44│0.18838│0.00078│115.04 │ 127.12│ 379.65│ 0.29613 │

│С3Н8 │ 1.72│0.27075│0.00080│149.18 │ 164.85│ 420.35│ 0.33628 │

│H2Oг │30.00│0.01071│0.01002│ 35.83 │39.59 │ 213.90│ 2.14328 │

│сумма │ │ │ │ │ │ │ 7.31491 │

└────────┴─────┴───────┴───────┴───────┴─────────┴───────┴─────────┘

Выход

ln(T/To) = ln(1110/298) = 1.315

R*ln(P/Po) = 8.314*ln(3.5/1) = 10.416 КДж/Кмоль*К

┌────────┬──────┬───────┬───────┬───────┬────────┬───────┬─────────┐

│Вещество│a │ в │n(i) │Cps │CplnT/To│ S │S*n │

├────────┼──────┼───────┼───────┼───────┼────────┼───────┼─────────┤

│СН4 │ 14.32│0.07466│0.00340│ 60.60 │79.69 │ 255.54│ 0.86884 │

│С2Н4 │ 11.32│0.12201│0.00840│ 86.95 │ 114.34 │ 323.37│ 2.71631 │

│С2Н6 │ 5.75│0.17511│0.00460│114.29 │ 150.29 │ 369.36│ 1.69906 │

│С3Н6 │ 12.44│0.18838│0.00045│129.21 │ 169.91 │ 426.43│ 0.19189 │

│С4Н6 │ 8.08│0.27322│0.00019│177.44 │ 233.33 │ 501.65│ 0.09531 │

│С6Н6 │-21.09│0.40012│0.00008│226.92 │ 298.46 │ 557.24│ 0.04458 │

│С4Н10 │ 18.23│0.30356│0.00010│206.39 │ 271.47 │ 571.17│ 0.05712 │

│СО │ 28.41│0.00410│0.00010│ 30.95 │40.73 │ 227.86│ 0.02279 │

│Н2О │ 30.00│0.01071│0.00992│ 36.64 │48.18 │ 226.48│ 2.24668 │

│Н2 │ 27.28│0.00326│0.00718│ 29.30 │38.53 │ 158.63│ 1.13896 │

│сумма │ │ │ │ │ │ │ 9.08167 │

└────────┴──────┴───────┴───────┴───────┴────────┴───────┴─────────┘

Sнеобр = сумма(nj*Sj) - сумма(ni*Si) - Qef/Tcp

Sнеобр = 9.08167-7.31491-1668/1001.34 = 0.10086 КДж/(Кмоль*К)

Def = Toc*Sнеобр = 298*0.10086=30.05628

B4 Горение.

Расчет ведется на 1 кмоль/с топлива

@4.1 Материальный баланс

таблица Шаболинское месторождение. Состав газа.

┌─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬────────┬────────┐

│СН4 │С2Н4 │С3Н8 │С4Н10│С5Н12│ Н2│ N2│СО2│р[кг/м

3]│Q МДж/м3│

├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼────────┼────────┤

│89.67│ 5.2 │1.70 │0.50 │0.10 │0.03 │ 2.7 │ 0.1 │ 0.799│ 37.4│

└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴────────┴────────┘

Коэффициент избытка воздуха 1.03

Уравнение сгорания топлива без учета диссоциации

0.8967СН4 + 0.052С2Н4 + 0.017С3Н8 + 0.005С4Н10 + 0.001С5Н12 +

0.0003Н2 + 8.0685N2 + 0.001СО2 + 2.1387O2 = 1.0777СО2 + 1.9994Н2О

+ 0.0623О2 + 8.0685N2

расчет стехиометрических коэффициентов в уравнении

n(СО2) = 0.8967+2*0.052+3*0.017+0.02+0.005+0.001 = 1.0777

n(H2O) = (0.8967*2+2*0.052+0.017*4+0.005*5+0.001*6+0.003)= 1.9994

n(O2)= 1.03*(1.0777-0.001+1.9994/2) =2.1387

n(N2)= 3.76*2.1387+0.027 = 8.0685

Уравнение сгорания топлива с учетом диссоцциациивыглядит следую-

щим образом.

СО2 = СО + 0.5О2 Н2О = ОН + 0.5Н2 х - Степень превращения СО2

1-х х 0.5х 1-у у 0.5у у - Степень превращения Н2О

0.8967СН4 + 0.052С2Н4 + 0.017С3Н8 + 0.005С4Н10 + 0.001С5Н12 +

+0.0003Н2 + 8.0685N2 + 0.001СО2 + 2.1387О2 = 1.0777(1-х)СО2 +

+1.0777(х)СО + 0.5389(х)О2 + 1.9994(1-у)Н2О + 1.9994(у)ОН +

+0.9997(у)Н2 + 0.0623О2 + 8.0685N2

Определение мольных долей СО2 и Н2О

сумма долей = 1.0777+1.9994+0.0623+8.0685=11.2079

Y(СО2) = 1.0777/11.2079=0.09615 Р(СО2)=100КПа*0.09622=9.615 КПа

Y(Н2О) = 1.9967/11.2079=0.17815 Р(Н2О)=100КПА*0.17828=17.815 КПА

@4.2 Энтальпийный баланс. Определение Тад.

Q = энтальпия выходного потока - энтальпия входного потока

(при отсутствии работы на валу технического устройства )

При определении Тад Q = 0

Из графической интерполяции данных таблиц 2 и3 получилизависи-

мость степеней превращения СО2 и Н2О от температуры (см. таблицу)

┌────┬──────────────────┬───────────────────┐

│Т[К]│Х(Р(СО2)=9.615КПа)│У(Р(Н2О)=17.815КПА)│ В результате обработ-

├────┼──────────────────┼───────────────────┤ ки этих данныхмето-

│1873│ 0.0151 │ 0.0052 │ дом МНК получили фор-

│2073│ 0.046 │ 0.0147 │ мульные зависимости

│2173│ 0.077 │ 0.0243 │ степенейпревращения

│2273│ 0.126 │ 0.0351 │ от температуры:

│2373│ 0.184 │ 0.0528 │

└────┴──────────────────┴───────────────────┘

x(Т) = 2.42377-2.5791*10

-3*Т+6.9086*10

-7*Т

y(Т) = 0.03511+3.06377*10

-5*Т-7.31057*10

-9*Т

2-4.0555*10

-11*Т

+1.667*10

-14*Т

Определение энтальпии входного потока на один кмоль топлива

Т=То=298.15К

0.8967*I(СН4)+0.052*I(С2Н4)+0.017*I(С3Н8)+0.005*I(С4Н10)+0.001*

*I(С5Н12)+0.0003*I(Н2)+8.0685*I(N2)+0.001*I(СО2)+2.1387*I(О2)=

0.8967*-74.85+0.052*52.30+0.017*-103.85+0.005*-126.15+0.001*-173.1+

+0.0003*0+8.0685*0+0.001*-393.51+2.1387*0 = -67.3612 МДж/кмоль

Определение энтальпии выходного потока на один кмоль топлива

Т=Тад=? x(T),y(T) см. выше

1.0777(1-х)*I(СО2) + 1.0777(х)*I(СО) + 0.53890(х)*I(О2) +

1.9994(1-у)*I(Н2О) + 1.9994(у)*I(ОН) + 0.9997(у)*I(Н2) +

0.0623*I(О2) + 8.0685*I(N2) =сумма nj*Ij

I(СО2) = -393510+(44.14+0.5*0.00904*(T+298))*(T-298) КДж/кмоль

I(СО)= -110530+(28.41+0.5*0.00410*(T+298))*(T-298) КДж/кмоль

I(Н2О) = -241810+(30.00+0.5*0.01071*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль

I(ОН)= 42100+(29.00+0.5*0.00400*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль

I(Н2)= 0+(27.28+0.5*0.00326*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль

I(О2)= 0+(31.66+0.5*0.00339*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль

I(N2)= 0+(27.28+0.5*0.00427*(T+298))*(T-298) Кдж/кмоль

Получаем уравнение вида сумма(nj*Ij)-сумма(ni*Ii)=F(T) решаякото-

рую получаем Тад = 2220 К

@4.3 Эксергетический баланс

Расчет ведем на один кмоль/с топлива.

0.8967*Ex(СН4) + 0.052*Ex(С2Н4) + 0.017*Ex(С3Н8) + 0.005*Ex(С4Н10)+

+ 0.001 *Ex(С5Н12) + 0.0003*Ex(Н2) + 8.0685*Ex(N2) + 0.001*Ex(СО2)+

+ 2.1387*Ex(О2) = 1.0777(1-х)*Ex(СО2) + 1.0777(х)*Ex(СО) +

+ 0.5389(х)*Ex(О2) + 1.9994(1-у)*Ex(Н2О) + 1.9994(у)*Ex(ОН) +

+ 0.9997(у)*Ex(Н2) + 0.0623*Ex(О2) + 8.0685*Ex(N2) + dEx

Ex = Ex'298 + Cph(T-To) - Toc*Cps*ln(T/To) + Toc*R*ln(P/Po)

Вход

Так как газы входят при нормальных условиях и 298'15 К товклад в

эксергию компонентов вносят лишь нулевая химическая эксергия иэк-

сергия смешения:

Ex(вход) = Ex'298 + Toc*R*ln(P/Po) Р/Ро = Y Y = n(i)/сумме n(i)

Toc*R = 298.15*8.314=2478.8191 КДж/кмоль

│Вещество│Ех

'KДж/кмоль│ n(i)│Y(i) │ln[Yi]*Toc*R │Ex KДж/кмоль│

│СН4 │ 830000│ 0.8967 │0.080204│ -6254.5 │ 823745.5 │

│С2Н4 │ 1360000│ 0.052 │0.004651│ -13312.9 │1346687.1 │

│С3Н8 │ 2150000│ 0.017│0.001521│-16083.5 │2133916.5 │

│С4Н10 │ 2803000│ 0.005 │0.000447│-19119.0 │ 2783881.0 │

│С5Н12 │ 3455000│ 0.001 │0.000089│-23119.6 │ 3431880.4 │

│Н2 │ 235000│ 0.0003 │0.000027│-26076.4 │ 208923.6 │

│CО2 │ 20100│ 0.001 │0.000089│-23119.6 │ -3019.6 │

│О2 │ 3950│ 2.1387 │0.191294│ -4099.8 │ -149.8 │

│N2 │ 700│ 8.0685 │0.721678│ -808.5 │ -108.5 │

│ ││ │ │ ││

│итого ││ 11.1802│1.000000│ ││

│ ││ │ │ ││

│топливо ││ 0.973│ │ ││

Значит oбщая эксергия входа=сумма[n(i)*Ex(i)] = 861172.033 КВт/кмоль

Выход

Ex = Ex'298 + Cph(T-To) - Toc*Cps*ln(T/To) + Toc*R*ln(P/Po)

To = 298К

T = Tад = 2220К

Срh = a + 0.5b * (T+To)

Cps = a + b * [(T-To)/ln(T/To)]

T+To = 298+2220=2518K

T-To = 2220-298=1922К

(T-To)/ln(T/To) = (2220-298)/(ln(2220/298)) = 957.091 К

Toc*ln(T/To) = 298*ln(2220/298) = 598.44 К

x(Т) = 0.1031y(Т) = 0.0283

│Вещество│a │ в │Срh │Cps │Cph(T-To) │TocCpsln(T/To)│

│СО │28.41│0.00410│33.3997│32.2361│ 64194.2234 │19291.3717│

│СО2 │44.14│0.00904│55.1417│52.5760│105982.3474 │31463.5814│

│Н2 │27.28│0.00326│31.2474│30.3222│ 60057.5028 │18146.0174│

│N2 │27.28│0.00427│32.4766│31.2647│ 62420.0252 │18710.0471│

│O2 │31.46│0.00339│35.5856│34.6235│ 68395.5232 │20720.0873│

│H2Oг │30.00│0.01071│43.0341│39.9944│ 82711.5402 │23934.2487│

│OH │29 │0.00400│33.8680│32.7327│ 65094.2960 │19588.5570│

Мольныедоликомпонентовнаходим, изстехиометрическихкоэффициентов

подставляя значения х(Т),у(Т) для веществ, подвергшихся диссоциации.

│Вещество│Ех

'KДж/кмоль│ n(i)│Y(i) │ln[Yi]*Toc*R │Ex KДж/кмоль│

│СО │ 275400 │ 0.1111 │0.009891│ -10057.7122 │ 310245.1395│

│СО2 │ 20100│ 0.9033 │0.080421│-5491.6787 │89127.0873│

│Н2 │ 235000 │ 0.0283 │0.002520│ -13036.9554 │ 263874.5300│

│N2 │ 700 │ 8.0685 │0.718343│ -720.7708 │43689.2073│

│O2 │ 3950 │ 0.1215 │0.010817│-9862.7214 │41762.7145│

│H2Oг │ 8600 │ 1.9428 │0.172969│-3823.0497 │63554.2418│

│OH │ 157000 │ 0.0566 │0.005039│ -11527.1476 │ 190978.5914│

│ ││ │ │ ││

│итого ││ 11.2321│1.000000│ ││

Значит oбщая эксергия выхода=сумма[n(j)*Ex(j)]=614307.4904 КВт/кмоль

dEx =Ex(вход)-Ex(выход)=861172.033-614307.4904=246864.5426 КВт/кмоль

КПД(Ех) = Ex(выход)/Ex(вход) = 614307.4904/861172.033 = 0.7133

B5 Термодинамический анализ химического реактора.

@ 5.1 Энергетический баланс

Qp = nв*q(н) + nв*Cp(в)*(T1-To) + nl*Cp(l)*(T1-To)

Т1 = То = 298 К

Т2 = Тперегиба = 1271 К по данным работы печи.

Р1 = Р2 = Ро = 1 бар

Q(потерь) = 0.08*Qef

nj - стехометрические коэффициенты в уравнении сгорания топлива для

выхлопных газов.

Qp = Qef + 0.08*Qef + nв*сумма(nj*Cр{2})*(T2-To)

nв = 1.08*Qef/(q(н)-сумма(nj)*сумма(Yj*Cp(j))*(T2-To)

T+To = 298+1271 = 1569 K

T-To = 1271-298 = 973 К

(T-To)/ln(T/To) = (973)/(ln(1271/298)) = 671 K

Toc*ln(T/To) = 298*ln(1271/298) = 432.1 K

Для выхлопных газов без учета диссоциации можно записать

│Вещество│ a│ в │Срh │Cps │Cph(T-To) │TocCpsln(T/To)│

│СО2 │44.14│0.00904│ 51.36 │ 50.30 │49973.28 │ 21734.63 │

│N2 │27.28│0.00427│ 30.69 │ 30.19 │29861.37│ 13045.10 │

│O2 │31.46│0.00339│ 34.17 │ 33.77 │33247.41 │ 14592.02 │

│H2Oг │30.00│0.01071│ 38.56 │ 37.39 │37518.88 │ 16156.22 │

│Вещество│Ех

'KДж/кмоль│ n(i)│Y(i) │ln[Yi]*Toc*R │Ex KДж/кмоль│

│СО2 │ 20100│ 1.0777 │0.096155│-5804.88 │42533.77│

│N2 │ 700 │ 8.0685 │0.719894│ -814.67 │16701.60│

│O2 │ 3950 │ 0.0623 │0.005559│ -12870.86 │ 9734.53 │

│H2Oг │ 8600 │ 1.9994 │0.178392│-4272.92 │25689.74│

│ ││ │ │ ││

│итого ││11.2079 │1.000000│ ││

Значит oбщая эксергия выхода = сумма[n(j)*Ex(j)]=232566.03 КВт/кмоль

сумма(nj)*сумма(Yj*Cp(j))*(T2-To) = 11.2079*34.1*973=371870.28 КВт

nв = 1.08*Qef/(q(н)-сумма(nj)*сумма(Yj*Cp(j))*(T2-To)

nв = 1.08*1668/(837760-371870.28)=0.00387 Кмоль/с

@ 5.2 Эксергетический баланс реактора

КПД(Ех) = [1][сумма{f}nj*Exj - сумма{e}ni*Exi]

[сумма{1}Yi*Exi - сумма{2}Yj*Exj]*nв

КПД(Ех)= (25893.81-24803.34)/(0.00388*(861172.03-232566.03))=0.447

B6 Термодинамический анализ процесса теплообмена

КПД(реактора) = КПД(Т/О)*КПД(ад.горения)*КПД(пиролиза)

КПД(Т/О) = КПД(реактора)/(КПД(ад.горения)*КПД(пиролиза))

КПД(Т/О) = 0.447/(0.7133*0.934) = 0.671

@ B7 Разработка энерго-химико-технологической схемы на базе печи

@ Bпиролиза этана.

-l─── ┌───┐ │

┌──┘ └──┐ a-│-a

│ ┌──┼───────────┘ 1

│ │ ┌──────────────>─────────────────────────┼─┐

│ /│ │ ┌──────────<─────┐ 1 │

│ ──┼───────────┐ │ │

-y───│ │ │ │ с b-│-b │ │

│ ┌──┼───<───┼───│───────────────────┐│

│ │ │ │ с │ │ ││

│ /│ │ │ к │ │ ││

│ ──┼───>───┼───│────┐ │ ││

│ │ │ │ к d │ │ │ ││

-x───│ ┌──┼─────────┼─┤ │ │ ││

│ │ │ │ d │ │ │ ││

│ /│ │ │ │ │ │ ┌<─┐ ││

│ │ │ │ пар ┌──────┴─┴┐ │ │ насос │

│ /│ │ │ │сепаратор│ │ ┌─┼─┐ │/│

│ │ │ │ │ │ │ │ ^ │ │ │

│ /│ │ │ └─┬───────┘ │ │ │ │ ─ ─ ─ ─ ─│ │

│ │ │ │ o─│─o │ └─┬─┘ │ │

┌───────┘ / e└─┼───┼──┐f ┌──┴─┐g │ │ турбина│

│ ─┼┐ │ │┌─┼──┼──┤//├──┼─ │ │ │

│ ┌──────┐e│ └//┘│ │f /└──┬─┘ g │ │2─│─2

│ │ ├┐│ │┌┤ ЗИА p─│─p │ │теплообменник │

│ │ ├┘│ │└┤ │ │ │2'┌────────┐│

│ │ ├┐│ │┌┤ └─><────>─┘ └┼─┤┌///┐├──┘

│ │ ├┘└──────┘└┤ x = 0.98 2'└┼──────┼┘

└────────┴──────┴──────────┘ │ │

┌──────────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┐

│Параметр │ 1 │ 2s │ 2' │ 4 │ o │ p │ f │ g │

├──────────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┤

│Р [бар] │ 120│ 0.05 │ 0.05 │ 120│ 120│ 120 │ 3.5│ 3.5│

│T [K] │ 813│ 306│ 306 │ 468│ 596│ 596 │ 1110 │ 673│

│h [КДж/кг]│ 3465 │ 2130 │ 137│ 834│ 1482 │ 2665 │ │ │

└──────────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┘

@7.1 Энергетический баланс закалочно-испарительного аппарата.

Qfg = сумма[n(j)*I(j)] - сумма[n(j)*I(j)]

Qop = сумма[n(j)*I(j)] - сумма[n(j)*I(j)]

-Qfg = Qop + Qпотерь

Принимаем Qпотерь пренебрежимо малым.

В отсутствии химической реакции Y(j) = Y(i)n(i) = n(j)

Po = Pp = 120 бар

Pf = Pg = 3.5 бар

To = Tp = 596 K

Tg = 673.15 K

Qfg = (сумма[n(i)*I(j)] - сумма[n(i)*I(i)])

Qop = m(пар)*[h(pх) - h'(o)]

h'(o) = 353.9 ккал/кг = 1481.71 КДж/кг

h" = 642.5 ккал/кг

h(pх) = h"*x + h'(a)*(1-x) = 642.5*0.98+343.9*0.02=636.53 ккал/кг

h(pх) = 636.53 ккал/кг = 2665.02 КДж/кг

из энергетического баланса участка e-f известно

сумма[n(i)*I(i)] = -663.54 КВт

сумма[n(i)*I(j)] = n(j)*[dH298 + Cp(j)*(Tg-To)]

Tg+To = 673+298 = 971 KTg-To = 673-298 = 375 K

│В-во │a │ в │Срh │Cph(T-To)│ n │ dH298 │I КДж/кмоль│

│СН4 │ 14.32│0.07466│ 66.88│ 25080.00│0.00340│ -74850│ -49770.00 │

│С2Н4 │ 11.32│0.12201│ 97.22│ 36457.50│0.00840│ 52300│88757.50 │

│С2Н6 │ 5.75│0.17511│129.03│ 48386.25│0.00460│ -84670│ -36283.75 │

│С3Н6 │ 12.44│0.18838│145.06│ 54397.50│0.00045│ 20410│74807.50 │

│С4Н6 │ 8.08│0.27322│200.43│ 75161.25│0.00019│ 110160│ 185321.25 │

│С6Н6 │-21.09│0.40012│260.59│ 97721.25│0.00008│ 82930│ 180651.25 │

│С4Н10 │ 18.23│0.30356│231.94│ 86977.50│0.00010│-126150│ -39172.50 │

│СО │ 28.41│0.00410│ 31.30│ 11737.50│0.00010│-110530│ -98792.50 │

│Н2О │ 30.00│0.01071│ 37.54│ 14077.50│0.00992│-241810│-227732.50 │

│Н2 │ 27.28│0.00326│ 29.58│ 11092.50│0.00718│ 0│11092.50 │

сумма[n(i)*I(j)] = -1700.52

Qfg = (сумма[n(i)*I(j)]-сумма[n(i)*I(i)])=-1700.52+663.54= -1037 КВт

m(пар) = -Qfg/[h(pх)-h'(o)] = 1037/(2665.02-1481.71) = 0.87636 кг/c

@7.2 Паросиловой цикл Ренкина.

Из-за частично-необратимых процессов в компрессоре и насосе для рас-

чета реальных величин вводим два изоэнтропных КПД

КПД(турб) = 0.92 КПД(насос) = 0.6

[1]7.2.1 Участок 1-2.

а) Обратимый dq = 0бs = 0 dФ = 0

q(1,2s) = h(2s) - h(1) + l(1,2s)

l(1,2s) = h(1) - h(2s) = 3465-2130 = 1335 КДж/кг

б) Необратимый

КПД(турб) = [h(1)-h(2d)]/[h(1)-h(2s)]

h(2d) = h(1)-КПД(турб)*[h(1)-h(2s)] = 3465-0.92*1335 = 2236.8 КДж/кг

[1]7.2.2 Участок 2-2'.

а) Обратимый dP = 0l(1,2s) = 0l(1,2d) = 0

q(2,2') = h(2') - h(2s) + l(1,2s) = 137-2130 = -1993 КДж/кг

б) Необратимый

q(2,2') = h(2d') - h(2d) + l(1,2d)

h(2') = Cp(H2O)*t = 4.185*32.81 = 137.3 КДж/кг

h(2d') = q(2,2') + h(2d) = -1993+2236.8 = 243.8 КДж/кг

[1]7.2.3 Участок 2'-4.

а) Обратимый dq = 0бs = 0 dФ = 0

q(2',4s) = h(4s) - h(2') + l(2',4s)

l(2',4s) = h(2') - h(4s) = 137.3-834 = -696.7 КДж/кг

б) Необратимый

КПД(насос) = [h(2')-h(4s)]/[h(2d')-h(4d)]

h(4d) = h(2d')-[h(2')-h(4s)]/КПД(насос)=243.8+696.7/0.6=1405 КДж/кг

[1]7.2.4 Участок 4-1.

а) Обратимый dP = 0l(4s,1) = 0l(4d,1) = 0

q(4s,1) = h(1) - h(4s) + l(4s,1) = 3465-834 = 2631 КДж/кг

б) Необратимый

q(4d,1) = h(1) - h(4d) + l(4d,1) = 3465-1405 = 2060 КДж/кг

[1]7.2.5 Цикл целиком

Lц = m(пар)*lцqц = lц

qц = q(4,1)+q(2,2') = 2631-1993 = 638 КДж/кг

lц = l(1,2)+l(2',4) = 1335-697 = 638 КДж/кг

Lц = 0.87636*638 = 559 КВт

КПД(th) = lц/q(4,1) = 638/2631 = 0.2425

КПД(Ex) = lц/Ex[q(4,1)] = 638/1322 = 0.4826

Ex[q(4,1)] = q(4,1)*(1-Toc/Tcp) = 2631*(1-298/599)=1322 КДж/кг

Tcp = q(4,1)/(S(1)-S(4)) = 2631/(6.65-2.26) = 599 K

S(4) = Cp(H2O)*ln(T(4)/Tr) = 4.184*ln(468/273) = 2.26 КДж/кг*K

B8 Кинетические расчеты

@8.1 Кинетический расчет поверхности радиантной зоны печи.

n(в)*q*КПД(цикла) = Qрад + n(топ.газов)*Ср(топ.газов)*(Т2-Тос)

Qрад= Qр.з = Qлуч + Qконв

Qконв = [2.04*(Т2-О)

0.25]*Fтруб*(Т2-О)

О = (Те+Тf)/2 + (30 Ў 40) = (900+1110)/2 + (30Ў40)

Qлуч= Cs*Hs*[(T2/100)

4 - (O/100)

4] Cs = 5.66 Вт/м¤К

Т2 = 1271 К

Нл = К*Нпл = К*[S(n-1)+dн]*lпол

- эквивалентая поверность абсолютно черного тела

s - шаг между центрами труб = 2*dн

K - коэф. формы

n - число труб

dн - 102 мм

lпол - полезная длина змеевика = 9.5 м

К = 2*(0.65+0.21) = 1.72 для двух рядов горелок и двух рядов труб

┌─────┐ b = 2+S*sqrt(3)/2 = 2+2*0.102*sqrt(3)/2 = 2.177 м

/│ /│ lг = 10 м

/│ /│ h h = (n-1)*S+0.5s+2*dн = 32*2*0.102+3*0.102=6.834м

┌─────┐ │ n = n(общ)/2 = F/(3.14*dн*lг*2)

│ └─│───┘ n = 206/(3.14*0.102*10*2) = 33 трубы

│/ │/

│/ │/ lг Fсум = b*lг+2*lг*h+2*b*h

└─────┘ Fсум = 2.177*10+2*10*6.834+2*2.177*6.834=188.2 м¤

b Hл = 1.72*(2*0.102*32+0.102)*9.5 = 108.33 м¤

Fнеэкр = Fсум - Hл = 188.2-108.33 = 79.87 м¤

Hs = Ev/Ф(т)*[Hл*Eh + в*Ef*Fнеэкр]

Ф(т) = 0.85

Eh = Ef = 0.9

a = 1.03

Ev = 2/(1+2.15*1.03) = 1-exp(-0.96/a) = 0.61

p = Hл/(Hл+Fнеэкр) = Hл/Fсум = 79.87/188.2 = 0.424

в = 1/[1+Ev/(1-Ev)*1/(Eh*p)] = 1/(1+0.61/(0.39*0.9*0.424)) = 0.196

Hs = 0.61/0.85*(108.33*0.9+0.196*0.9*79.87) = 80 м¤

О = (900+1110)/2+40 = 1045 К

Qконв = 2.04*(1271-1045)**0.25*206*(1271-1045)=368500 Вт

Qлуч= 5.66*80*(12.71**4-10.45**4) = 6416769 Вт

Qрад= Qконв + Qлуч = 372.7+6416.8 = 6789.5 КВт

4*Qef = 1668*4 = 6672 КВт < 6789.5 КВт

@8.2 Расчет конвекционной зоны печи пиролиза

[1]8.2.1 Определение промежуточных температур в конвекционной зоне

Ta = 378 K = 105 C

Tb = Td = 463 K = 190 C

Tc = 468 K = 195 C

Tk = 596 K = 323 C

Tl = 523 К = 250 С

а) Участок l-y

Qab = сумма[n(j)*I(j)] - сумма[n(i)*I(i)] + Lab

Qyl = сумма[n(j)*I(j)] - сумма[n(i)*I(i)] + Lyl

Qab = - Qyl

Но на участке аb нет химической реакции n(i) = n(j)

h = Cp(T-To)

┌────────┬─────┬───────┬───────┬────────┬────────┬─────────┐

│Вещество│ a│ в │ n │ h(a) │ h(b) │h(b)-h(a)│

├────────┼─────┼───────┼───────┼────────┼────────┼─────────┤

│С2Н4 │11.32│0.12201│0.00010│ 6832.72│11260.24│ 4427.52 │

│С2Н6 │ 5.75│0.17511│0.01380│ 8441.83│14113.97│ 5672.14 │

│С3Н6 │12.44│0.18838│0.00078│ 9894.62│16403.13│ 6508.51 │

│С3Н8 │ 1.72│0.27075│0.00080│12120.36│20424.37│ 8304.01 │

│ │ │ │ │ │ │ │

│ │5.915│0.18038│0.01548│8694.75 │14537.00│ 5842.25 │

└────────┴─────┴───────┴───────┴────────┴────────┴─────────┘

Qab = сумма[n(i)*dh(i)] = 90.44 КВт

Для выхлопных газов без учета диссоциации можно записать

┌────────┬─────┬───────┬───────┬────────┬────────┬──────────────┐

│Вещество│ a│ в │Срh (l)│n(i)│ Y(i)│h(l) КДж/кмоль│

├────────┼─────┼───────┼───────┼────────┼────────┼──────────────┤

│СО2

│44.14│0.00904│ 47.85 │ 1.0777 │0.096155│ 10766.25 │

│N2

│27.28│0.00427│ 29.03 │ 8.0685 │0.719894│ 6531.75 │

│O2

│31.46│0.00339│ 32.85 │ 0.0623 │0.005559│ 7391.25 │

│H2Oг

│30.00│0.01071│ 34.39 │ 1.9994 │0.178392│ 7737.75 │

│

│ │ │ │ │ │ │

│ │29.40│0.00587│ 31.82 │11.2079 │1.000000│ 7158.84 │

└────────┴─────┴───────┴───────┴────────┴────────┴──────────────┘

M(газов) = 27.78 кг/кмоль

Cp(газов) = сумма[Y(i)*Cp(i)] = 34.1 КДж/Кмоль

сумма(nj)*сумма(Yj*Cp(j))*(T2-To) = 11.2079*34.1*973=371870.28 КВт

Qab = n(газов)*[h(y)-h(l)] = n(газов)*Cp(газов)*[Ty-Tl]

Qпар = m(пар)*(h(1)-h(px))= 0.87636*(3465-2665) = 701 КВт

n(в) = [1.08*(Qef+Qпар)]/[q(n)-сумма(nj)*Cp(газов)*(T2-Toc)]

n(в) = (1.08*(1668+701))/(837760-371870.28)=0.0055 Кмоль/с

n(газов) = n(в)*сумма(n(j)газов)

n(газов) = 0.0055*11.2079=0.06165 Кмоль/с

q(n) = Vm*Q(н) = 22.4*37400 = 837760 КДж/кмоль

h(y) = Qab/n(газов)+h(l)= 90.44/0.06165+7158.84=8625.83

Ty = 568 K

б) Участок у-х

m(вода)*(h(k)-h(c)) = n(газов)*(h(x)-h(y))

h(x) = m(вода)(h(k)-h(c))/n(газов) + h(y)

h(x) = 0.87636*4.186*(353.9-199.3)/(0.06165)+8625.83 = 17825.2 Вт

T(x) = 842 K

в) Участок х-2

n(газов)*(h(2)-h(x)) = n(смеси)*(h(e)-h(d))

h(d) = h(e) - n(газов)*(h(2)-h(x))/n(смеси)

h(d) = 50262.03-0.06165*(33086.9-17825.2)/0.0255 = 13364.63 КДж/км*с

T(d) = 515 K

[1]8.2.2 Определение температуры пара разбавления в сечении d.

──<этан 463 K>──┐ dq = 0

┌┴┐ dP = 0

│d├──<смесь Td = 515 K >──

└┬┘

──<пар T=? >───┘

сумма[n(i)I(i)] = сумма[n(j)I(j)]

n(эт)*h(b) + n(пар)*h(пар) = n(смеси)*h(d)

h(пар) = [n(смеси)*h(d)-n(эт)*h(b)]/n(пар)

h(пар) = (0.0255*13364.63-0.01548*14537)/0.01002 = 11553.42

T(пар) = 628 K

P = 12 бар

@8.3 Определение поверхности теплообмена конвекционной зоны.

Примем ориентировочный коэффициент теплообмена Кор = 35 Вт/(м¤К).

Qкз = Кор*Fкз*dTcp = сумма[n(j)*I(j)] - сумма[n(i)*I(i)] + L(de)

Qкз = сумма[n(смеси)*(h(e)-h(d)]

Qкз = 0.0255*(50262.03-13364.63) = 940884 Вт

dTcp = [(T2-Te)-(Tx-Td)]/ln[(T2-Te)/(Tx-Td)]

dTcp = ((1271-900)-(842-515))/ln((1271-900)/(842-515)) = 348.54 K

tcp= (T2+Tx)/2 = (998+569)/2 = 784 C

Fкз = Qкз/(Кор*dTcp) =940884/35/348.54 = 77.13 м¤

Определение общего числа труб в конвекционной зоне, расположенныхв

шахматном порядке с шагом 1.7-2 dн. Число труб в ряду 4-6 штук.

dн = 102 мм, lпол = 9.5 мшаг s = 200 мм

n(общ) = F/(3.1416*dн*lпол) = 77.13/(3.1416*0.102*9.5)=25.34 штуки

в качестве приближения примем 5 рядов по 5 труб.

Уточненный расчет коэффициента теплообмена.

alfa(дым) = [alfa(к)+alfa(л)]

alfa(к) = 0.34*E*U0.6*dн0.4

alfa(к) = 0.34*23.7*0.86**0.6/0.102**0.4 = 14 Вт/(м¤К).

из графика со стр 102 [2] находим Е = 23.7

поиск средней масовой скорости

U = 4*(n(газов)*М(газов))/f = 4*0.06165*27.78/8 = 0.86 кг/с

f = (b-n(pяда)*dн)*lпол = (1.352-5*0.102)*9.5 = 8 м¤

b = s(n(pяда)+1)+dн+0.05 = 0.2*(5+1)+0.102+0.05 = 1.352 м

определение коэффициентов лучистого теплообмена

tст = [t(e)+t(dсм)]/2 + 20 = (900+515)/2+20 = 728 K = 455 C

Sэфф = 3.49*s-4.1*dн = 3.49*0.2-4.1*0.102 = 0.2798 м

Р'(СО2) = Sэфф*P~ = 0.2798*0.0962 = 0.027 м*бар

P'(Н2О) = Sэфф*P~ = 0.2798*0.1782 = 0.050 м*бар

из диаграммы со страницы 52 методички 2970 находим

alfa(СО2) = 11 Вт/(м¤К)

alfa(Н2О) = 14 Вт/(м¤К)

alfa(л) = 25 Вт/(м¤К)

К = 1.1*(alfa(л)+alfa(к)) = (25+14)*1.1 = 43 Вт/(м¤К)

Fкз = Qкз/(К*dTcp) = 940884/43/348.54 = 63 м¤

n(общ) = F/(3.1416*dн*lпол) = 63/(3.1416*0.102*9.5)=21 штука

Берем с запасом 6 рядов по 4 трубы.

Fкз = n(общ)*(3.1416*dн*lпол) = 24*3.1416*0.102*9.5 = 73 м¤

BЗаключение

Пиролиз КПД(Ех) = 0.934

Горение КПД(Ех) = 0.713

Реактор КПД(Ех) = 0.447

Т/О КПД(Ех) = 0.671

Путем анализа расчетов по эксперементальным даннымопределили, что

при существующих технологиях КПД реактора неможет превышать45%.

(Это при почти идеальных условиях работы всех систем). Если бытеп-

лота отходящих газов и продуктов не утилизовалась, тоэффективность

всей системы была бы гораздо меньше. Чтоподтверждает целесообраз-

ность введения ЭХТС вместо обычных систем.

BПриложение

таблица 1 Физические свойства некоторых газов

┌────────┬────────────┬────────────┬────────────┬────────┬────────┐

│Вещество│Ех

'МДж/кмоль│бН'МДж/кмоль│ S КДж/кмоль│ а │в*10

3 │

├────────┼────────────┼────────────┼────────────┼────────┼────────┤

│СН4 │ 830 │ -74.85 │ 186.27 │14.32 │74.66 │

│С2Н4 │ 1360 │ 52.30 │ 219.45 │11.32 │ 122.01 │

│С2Н6 │ 1494 │ -84.67 │ 229.49 │ 5.75 │ 175.11 │

│С3Н6 │ 2001 │ 20.41 │ 266.94 │12.44 │ 188.38 │

│С3Н8 │ 2150 │ -103.85 │ 269.91 │ 1.72 │ 270.75 │

│С4Н6 │ 2500 │ 110.16 │ 278.74 │ 8.08 │ 273.22 │

│С4Н10 │ 2803 │ -126.15 │ 310.12 │18.23 │ 303.56 │

│С6Н6 │ 3432 │ 82.93 │ 269.20 │ -21.09 │ 400.12 │

│СО │ 275.4│ -110.53 │ 197.55 │28.41 │ 4.10 │

│СО2 │ 20.1│ -393.51 │ 213.66 │44.14 │ 9.04 │

│Н2 │ 235 │ 0 │ 130.52 │27.28 │ 3.26 │

│N2 │ 0.7│ 0 │ 191.50 │27.28 │ 4.27 │

│O2 │ 3.95 │ 0 │ 205.04 │ 31.46 │ 3.39 │

│H2Oг │ 8.6│ -241.81 │ 188.72 │30.00 │10.71 │

│OH │ 157 │ 42.10 │ ── │ 29 │ 4.00 │

│С5Н12 │ 3455 │ -173.1 │ ── │ ── │ ── │

└────────┴────────────┴────────────┴────────────┴────────┴────────┘

таблица 2 степень диссоциации СО2 %

┌─────────┬───────────────────────────────────────────────────────┐

│ │ ПАРЦИАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ СО2 ,КПА │

│ ├──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┤

│ T,C │ 4.9│ 9.8│ 14.7 │ 19.6 │ 29.4 │ 32.9 │ 49.0 │ 98.1 │

├─────────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┼──────┤

│ 1500 │0.5 │0.5 │ 0.45 │0.4 │ 0.4 │0.4 │0.4 │ 0.4 │

│ 1600 │1.9 │1.5 │ 1.35 │1.3 │ 1.1 │ 0.95 │ 0.85 │ 0.7 │

│ 1700 │3.5 │2.8 │ 2.45 │2.2 │ 1.9 │ 1.75 │ 1.65 │ 1.3 │

│ 1800 │5.9 │4.6 │ 4.10 │3.7 │ 3.3 │3.0 │ 2.75 │2.2 │

│ 1900 │9.5 │7.6 │ 6.65 │6.1 │ 5.3 │4.9 │4.5 │ 3.6 │

│ 2000 │ 15.4 │ 12.5 │ 11.0 │ 10.0 │8.8 │ 8.0 │7.4 │6.0 │

│ 2100 │ 22.8 │ 18.3 │ 16.2 │ 14.9 │ 13.1 │ 12.0 │ 11.2 │9.0 │

│ 2200 │ 32.5 │ 27.0 │ 24.0 │ 22.0 │ 19.8 │ 18.0 │ 17.0 │ 13.5 │

│ 2300 │ 42.5 │ 35.9 │ 32.4 │ 30.0 │ 26.9 │ 24.8 │ 23.2 │ 19.0 │

│ 2400 │ 53.7 │ 46.6 │ 42.5 │ 39.6 │ 35.8 │ 33.3 │ 31.4 │ 26.0 │

│ 2500 │ 64.1 │ 56.9 │ 52.7 │ 49.7 │ 45.4 │ 42.6 │ 40.4 │ 34.0 │

└─────────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┴──────┘

таблица 3 степень диссоциации H2O %

│ │ ПАРЦИАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ H2O ,КПА │

│ ├──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┬──────┤

│ T,C │ 4.9 │ 9.8│ 14.7 │ 19.6 │ 29.4 │ 32.9 │ 49.0 │ 98.1 │

│ 1600 │ 0.8│ 0.6│ 0.55 │ 0.50 │ 0.46 │ 0.42 │ 0.38 │ 0.28 │

│ 1800 │ 2.25 │ 1.80 │ 1.57 │ 1.40 │ 1.25 │ 1.15 │ 1.05 │ 0.83 │

│ 1900 │ 3.80 │ 3.00 │ 2.55 │ 2.35 │ 2.10 │ 1.90 │ 1.70 │ 1.40 │

│ 2000 │ 5.35 │ 4.30 │ 3.70 │ 3.40 │ 2.95 │ 2.65 │ 2.50 │ 2.00 │

│ 2100 │ 7.95 │ 6.35 │ 5.60 │ 5.10 │ 4.55 │ 4.10 │ 3.70 │ 3.00 │

│ 2200 │ 11.5 │ 9.30 │ 8.15 │ 7.40 │ 6.50 │ 5.90 │ 5.40 │ 4.40 │

│ 2300 │ 15.4 │ 12.9 │ 11.4 │ 10.4 │ 9.10 │ 8.40 │ 7.70 │ 6.20 │

│ 2400 │ 21.0 │ 17.2 │ 15.3 │ 13.9 │ 12.2 │ 11.2 │ 10.4 │ 8.40 │

│ 2500 │ 26.8 │ 22.1 │ 19.7 │ 18.0 │ 15.9 │ 14.6 │ 13.7 │ 11.0 │

Литература

1. Адельсон С.В. Процессы и аппараты нефтепереработки инефтехимии.

М.: Химия, 1963.

2. Примеры и задачи по технологии переработки нефти игаза. Сарда-

нашвили А.Г.

3. Пиролиз углеводородного сырья/Мухина Т.Н. и др. М.: Химия 1987.